車載ADAS傳感器毫米波雷達(dá)解析

錢若愚

摘 要：ADAS-汽車駕駛輔助系統(tǒng)正在當(dāng)前的汽車市場(chǎng)中迅速普及。車載雷達(dá)作為ADAS系統(tǒng)的重要組成，其技術(shù)發(fā)展直接影響著汽車智能化進(jìn)程。毫米波雷達(dá)因?yàn)槠洳ㄩL(zhǎng)的物理特性不受惡劣的環(huán)境影響，同時(shí)相比激光雷達(dá)又有較大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為當(dāng)前廠家的首選。與24 GHz傳感器相比，77 GHz傳感器的分辨率和精度更高，體積小，正逐漸成為當(dāng)前汽車領(lǐng)域的主流傳感器。同國(guó)外雷達(dá)傳感器供應(yīng)商相比，國(guó)內(nèi)車載毫米波雷達(dá)仍屬于起步階段，國(guó)內(nèi)企業(yè)要在市場(chǎng)上與外企競(jìng)爭(zhēng)并占有一席之地還有很長(zhǎng)的路要走。

關(guān)鍵詞：ADAS駕駛輔助;毫米波雷達(dá);傳感器

中圖分類號(hào)：TP212.6 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）04-26-04

Analysis of Vehicle ADAS Sensor Millimeter Wave Radar^*

Qian Ruoyu

（?Suzhou Construction Higher Vocational Technical School， Jiangsu Suzhou 215104?）

Abstract：ADAS is widely used in automobile market. Because of the physical characteristics of its wavelength， millimeter wave radar sensor can adapt to the rainstorm， fog， night driving and other harsh environment. At the same time， compared with laser radar， it has a greater price advantage， and has become the first choice of current manufacturers. Compared with 24 GHz sensor， 77 GHz sensor has higher speed resolution and accuracy， smaller volume， and is gradually becoming the mainstream sensor in the automotive field. Compared with foreign radar sensor suppliers， domestic vehicle borne millimeter wave radar is still in its infancy. Domestic enterprises have a long way to go to compete with foreign enterprises and occupy a place in the market.

Keywords： ADAS driving aid; Millimeter wave radar;Sensor

CLC NO.：TP212.6?Document Code： B?Article ID： 1671-7988（2020）04-26-04

前言

當(dāng)今汽車領(lǐng)域伴隨著科技的高速發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代。主要方向集中在新能源領(lǐng)域和智能化領(lǐng)域。對(duì)于智能化汽車，很多人最直接想到的就是無(wú)人車。根據(jù)SAE美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)最新的標(biāo)準(zhǔn)定義，汽車無(wú)人駕駛技術(shù)屬于ADAS（Advanced Driver Assistance Systems高級(jí)駕駛輔助技術(shù)）的高級(jí)階段。ADAS系統(tǒng)是由安裝在車輛上的各種傳感器來(lái)測(cè)量汽車行駛中周圍的環(huán)境信息，該信息傳遞給電腦進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)物體的辨識(shí)與偵測(cè)。電腦結(jié)合高精度地圖、GPS、車聯(lián)網(wǎng)等信息分析運(yùn)算后，對(duì)車輛行駛施加自動(dòng)控制，替代駕駛者操作。

無(wú)論是低級(jí)別的駕駛輔助功能，還是高級(jí)別的自動(dòng)駕駛功能，利用傳感器來(lái)采集行駛中的各種道路、行人、障礙物等信息都是必不可少的。常見(jiàn)的車載ADAS傳感器有以下幾種：超聲波雷達(dá)、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和圖像傳感器（攝像頭）。毫米波雷達(dá)傳感器因?yàn)槠洳ㄩL(zhǎng)的物理特性，可以適應(yīng)暴雨，大霧，夜間行車等較為惡劣的環(huán)境，同時(shí)相比激光雷達(dá)又有較大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為當(dāng)前廠家的首選。

1 毫米波雷達(dá)的概念及其特性

雷達(dá)，是指利用電磁波來(lái)探測(cè)目標(biāo)的一種電子設(shè)備?；具^(guò)程是：對(duì)目標(biāo)發(fā)射電磁波，目標(biāo)受到照射后反彈，雷達(dá)接收其回波。由此獲得目標(biāo)至電磁波發(fā)射點(diǎn)的距離、距離變化率、方位、高度等信息。

電磁波是交變電磁場(chǎng)，在自由空間傳播滿足公式：

c=λf（1）

其中c：波速（光速常量單位m/s）f：頻率（HZ）λ：波長(zhǎng)（m）

雷達(dá)功能的基本特性由其頻率和波長(zhǎng)決定。高頻率短波長(zhǎng)的雷達(dá)，其分辨率高，穿透能力強(qiáng)，傳輸距離短;低頻長(zhǎng)波的雷達(dá)，其繞射能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，但是分辨率較差。根據(jù)波長(zhǎng)的不同，對(duì)電磁波進(jìn)行排列即得到電磁波譜。

所以毫米波雷達(dá)指的是工作在30～300GHz頻域（波長(zhǎng)為1～10mm）的雷達(dá)。由其波長(zhǎng)決定了毫米波雷達(dá)的特性：

（1）灰塵的特征尺寸為1um—100um，雨點(diǎn)的特征尺寸為0.5-4mm毫米波雷達(dá)的波長(zhǎng)均大于它們的尺寸，可以輕易穿透灰塵和雨水，在惡劣氣候下仍然具備較強(qiáng)工作能力。

（2）毫米波雷達(dá)，頻率高、波長(zhǎng)短，能以較小的天線尺寸發(fā)射窄波束的電磁波信號(hào)。不受物體表面形狀、顏色和大氣流的影響，其探測(cè)穩(wěn)定性高。

（3）基于目前毫米波雷達(dá)制造工藝，其集成度高，元器件體積，尺寸，重量較小，價(jià)格適中，適合作為小平臺(tái)感知傳感器使用。

2 毫米波雷達(dá)頻段劃分及產(chǎn)業(yè)布局

如上表所述，國(guó)際上目前車用毫米波雷達(dá)的頻率主要是24GHz和77GHz。其中24GHz的波長(zhǎng)是1.25cm（雖然24GHz的波長(zhǎng)是1.25cm，但是目前業(yè)界也依然將其稱之為毫米波），60GHz是5mm，77GHz的波長(zhǎng)則更短，只有3.9mm。前面已經(jīng)概括，速度分辨率和精度與射頻（RF）頻率成反比。因此，頻率越高，分辨率和精度就越好。與24 GHz傳感器相比，77 GHz傳感器可將速度分辨率和精度提高3倍。另外高頻率的主要優(yōu)勢(shì)之一就是傳感器尺寸可以制作更小。對(duì)于相同的天線視場(chǎng)和增益，77GHz天線陣列的尺寸可以在X和Y維度上減小約3倍。對(duì)于車用傳感器而言，尺寸的縮減非常有助于后備箱，保險(xiǎn)杠等部位的元件安裝。因此， 77GHz毫米波雷達(dá)正逐漸成為當(dāng)前汽車領(lǐng)域的主流傳感器。

目前毫米波雷達(dá)的技術(shù)主要由國(guó)外企業(yè)所壟斷。大陸、博世、電裝、奧托立夫、德?tīng)柛５绕嚵悴考?yīng)巨頭在毫米波雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域擁有絕對(duì)的話語(yǔ)權(quán)。同國(guó)外雷達(dá)傳感器供應(yīng)商相比，國(guó)內(nèi)車載毫米波雷達(dá)仍屬于起步階段。北京行易道、沈陽(yáng)承泰科技、南京隼眼科技等國(guó)內(nèi)科創(chuàng)企業(yè)已有24GHz毫米波雷達(dá)產(chǎn)品問(wèn)世，在77GHz毫米波雷達(dá)方面部分樣機(jī)進(jìn)入產(chǎn)品化測(cè)試階段。市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)到2020年，ADAS駕駛輔助將在中端車輛上普及，毫米波雷達(dá)市場(chǎng)需求將會(huì)達(dá)到一個(gè)新的高度。國(guó)內(nèi)企業(yè)要在市場(chǎng)上與外企競(jìng)爭(zhēng)并占有一席之地還有很長(zhǎng)的路要走。

3 毫米波雷達(dá)工作的基本原理

毫米波雷達(dá)是基于普勒效應(yīng)來(lái)測(cè)速原理：當(dāng)聲音、光和無(wú)線電波等振動(dòng)源與觀測(cè)者以相對(duì)速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者所收到的振動(dòng)頻率與振動(dòng)源所發(fā)出的頻率有不同。

當(dāng)發(fā)射的電磁波和被探測(cè)目標(biāo)有相對(duì)移動(dòng)，回波的頻率會(huì)和發(fā)射波的頻率不同（如圖1）。當(dāng)目標(biāo)向雷達(dá)天線靠近時(shí)，反射信號(hào)頻率將高于發(fā)射信號(hào)頻率;反之，當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離天線而去時(shí)，反射信號(hào)頻率將低于發(fā)射信號(hào)頻率。

由圖中可得頻率差：

（2）

△f為相對(duì)靜止目標(biāo)的中頻頻率，f_d為相對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多普勒頻移

由多普勒效應(yīng)所形成的頻率變化叫做多普勒頻移，它與相對(duì)速度v成正比，與振動(dòng)的頻率成反比。由多普勒效應(yīng)可得：

（3）

f₀為發(fā)射波的中心頻率，v為目標(biāo)和雷達(dá)的徑向相對(duì)速度。將上述公式合并求解即可得到相對(duì)速度v。根據(jù)發(fā)射脈沖和接收的時(shí)間差，可以測(cè)出目標(biāo)的距離。

如圖2所示，方位角α_AZ由毫米波雷達(dá)陣列天線R_X1和R_X2之間的幾何距離d，以及兩根毫米波雷達(dá)天線所收到反射回波的相位差b，然后通過(guò)三角函數(shù)計(jì)算得到方位角α_AZ的值。

（4）

4 毫米波雷達(dá)的應(yīng)用

以Level 3級(jí)別的自動(dòng)駕駛量產(chǎn)車奧迪A8為例，圖3中橙色框的Corner radar和Rear radar，就是頻段在24GHz的雷達(dá)。由于其檢測(cè)距離有限，因此常用于檢測(cè)近處的障礙物（車輛）。圖中的這4個(gè)角雷達(dá)，能夠?qū)崿F(xiàn)的ADAS功能有盲點(diǎn)檢測(cè)、變道輔助等;在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中常用于感知車輛近處的障礙物，為換道決策提供感知信息。

綠色框的Long-range radar，即為頻段在77GHz左右的雷達(dá)。性能良好的77GHz雷達(dá)的最大檢測(cè)距離可以達(dá)到160米以上，因此常被安裝在前保險(xiǎn)杠上，正對(duì)汽車的行駛方向。?長(zhǎng)距離雷達(dá)能夠用于實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)、高速公路跟車等ADAS功能;同時(shí)也能滿足自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，對(duì)障礙物距離、速度和角度的測(cè)量需求。

毫米波雷達(dá)有其不可替代的優(yōu)勢(shì)，也有一定的不足之處。以德國(guó)大陸公司ARS408毫米波雷達(dá)為例，其數(shù)據(jù)只能提供距離和角度信息，不能像激光雷達(dá)那樣提供高度信息。由于毫米波雷達(dá)發(fā)出的電磁波對(duì)金屬極為敏感，在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中會(huì)發(fā)現(xiàn)近處路面上突然出現(xiàn)的釘子、窖井蓋，遠(yuǎn)距離外的金屬?gòu)V告牌都會(huì)被認(rèn)為是障礙物，同時(shí)缺乏高度信息，導(dǎo)致雷達(dá)數(shù)據(jù)無(wú)法判斷該障礙物可以越過(guò)如窖井蓋，或者從下方穿過(guò)如廣告牌。所以要驗(yàn)證雷達(dá)檢測(cè)的某些障礙物是否實(shí)際存在，需要使用攝像頭或激光雷達(dá)等能準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)類型和測(cè)量目標(biāo)高度的傳感器來(lái)進(jìn)行融合驗(yàn)證。由于激光雷達(dá)目前成本過(guò)高，目前將毫米波雷達(dá)與攝像頭進(jìn)行融合的方案是各大廠商的主流選擇，例如特斯拉、奔馳S級(jí)等。

車輛ADAS毫米波雷達(dá)性能可以從以下幾個(gè)方面來(lái)概括：

（1）目標(biāo)距離、速度、方位角的測(cè)量精度和分辨率。特別是對(duì)于行人，毫米波對(duì)金屬敏感，對(duì)水不敏感，所以提高雷達(dá)的分辨率對(duì)準(zhǔn)確識(shí)別行人意義重大。

（2）檢測(cè)范圍，雷達(dá)最遠(yuǎn)檢測(cè)距離對(duì)應(yīng)于預(yù)防車輛高速時(shí)正面碰撞;短距離波束的角度范圍對(duì)應(yīng)于近處的交叉碰撞預(yù)防。

（3）成熟穩(wěn)定的雷達(dá)信號(hào)處理和目標(biāo)跟蹤算法，特別是對(duì)行人、靜止目標(biāo)和橫穿目標(biāo)的檢測(cè)能力。

5 毫米波雷達(dá)發(fā)展前景

當(dāng)前車輛ADAS系統(tǒng)正處在高速發(fā)展階段，各主機(jī)廠努力將高端車系向level 4突破的同時(shí)，也在將低級(jí)別ADAS系統(tǒng)普及到中端車系上來(lái)。以AEB為例特斯拉、奔馳、奧迪、沃爾沃、寶馬豐田各車系裝車率均超過(guò)了50%。國(guó)內(nèi)的毫米波雷達(dá)市場(chǎng)，伴隨著C-NCAP的五星評(píng)定、交通部對(duì)營(yíng)運(yùn)車輛的1094文的實(shí)施，將進(jìn)入快速增長(zhǎng)的階段。預(yù)計(jì)2020年左右，如果市場(chǎng)滲透率能超過(guò)15%，市場(chǎng)空間是30-50億的級(jí)別。如果裝配率再提高，市場(chǎng)空間將更大。

目前，國(guó)產(chǎn)77GHz毫米波雷達(dá)不管是企業(yè)體量、技術(shù)水平、競(jìng)價(jià)優(yōu)勢(shì)還是市場(chǎng)成熟度等方面都不夠成熟。主機(jī)廠真正量裝搭載國(guó)產(chǎn)77GHz毫米波雷達(dá)還需要一些時(shí)間。

6 毫米波雷達(dá)測(cè)試

以大陸ARS-408，77GHZ長(zhǎng)距離毫米波雷達(dá)為例。如圖4連接雷達(dá)硬件。

給雷達(dá)通12V直流工作電壓，然后將雷達(dá)CAN通訊端口轉(zhuǎn)接為USB連至電腦，利用調(diào)試軟解打開(kāi)。將雷達(dá)固定至車輛保險(xiǎn)杠高度，然后我們?cè)谛@內(nèi)進(jìn)行了車輛動(dòng)態(tài)檢測(cè)試驗(yàn)（圖5）。

ARS-408毫米波雷達(dá)處理反射信號(hào)后以clusters和objects的形式在軟件中顯示。Clusters反映了目標(biāo)的位置，速度和信號(hào)強(qiáng)度等信息，并在每個(gè)檢測(cè)周期加以更新。objects反映了目標(biāo)的歷史軌跡和維度，由跟蹤的clusters組成。圖中軟件顯示的IDxx為對(duì)應(yīng)的每個(gè)檢測(cè)到的物體，根據(jù)原始的點(diǎn)云圖，大陸公司應(yīng)用聚類和跟蹤算法輸出目標(biāo)軌跡。白色的ID對(duì)應(yīng)靜態(tài)檢測(cè)目標(biāo)，右圖中白色豐田車輛以25km/h時(shí)速向前運(yùn)行，雷達(dá)以綠色I(xiàn)D標(biāo)定檢測(cè)物，實(shí)際測(cè)試中該ID對(duì)應(yīng)車輛的運(yùn)行，向屏幕上方勻速移動(dòng)。試驗(yàn)可以得出，ARS-408毫米波雷達(dá)可以根據(jù)檢測(cè)目標(biāo)的信號(hào)強(qiáng)度、速度、持續(xù)時(shí)間、散射截面積等信息來(lái)判斷目標(biāo)類別及存在的可能性。由此可見(jiàn)，大陸公司在77GHZ長(zhǎng)距離毫米波雷達(dá)

的研究中已經(jīng)有了相對(duì)穩(wěn)定成熟的跟蹤算法，這也為國(guó)內(nèi)毫米波雷達(dá)企業(yè)提供了算法研究的方向。

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